ヘテロクロマチンに特徴的なヒストン修飾の排他性の意義とメカニズム

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04764
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 木村 宏 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (30241392)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2025-03-31
• キーワード: クロマチン / エピジェネティクス / 転写制御 / 染色体

研究実績の概要

H3K9me3とH3K27me3は共に転写抑制に関与する修飾であるが、排他的に存在し、それぞれ構成的ヘテロクロマチンと条件的ヘテロクロマチンの形成に働く。そこで、遺伝子発現の抑制に働くヘテロクロマチン構築機構の解明を目的として、H3K9me3とH3K27me3の排他性の生物学的意義と分子機構に関する解析を行った。
H3K27me3が濃縮する不活性X染色体をもつマウスMC12細胞を用いて、H3K27me3に結合する遺伝子コード型細胞内抗体（H3K27me3-mintbody）にH3K9のトリメチル化酵素であるSuv39H2の酵素活性ドメイン（SETドメイン）を融合したタンパク質（H3K27me3-mintbody-Suv39H2(SET)）をドキシサイクリン（dox）依存的に発現させるための細胞株を樹立した。コントロールとして、メチル化酵素活性を持たないSETドメインの点変異体（H3K27me3-mintbody-Suv39H2(SET-Mut)）を発現する細胞を樹立した。H3K27me3-mintbody-Suv39H2(SET)の発現誘導後１日で、H3K27me3が濃縮する不活性X染色体上へH3K9me3の局在が見られたが、SET-Mutではそのような濃縮は見られなかった。不活性X染色体上へのH3K9me3の濃縮は発現誘導後2-3日で最大に達した。この状態で、細胞は正常に増殖したが、不活性X染色体のDNA複製タイミングがより後期にシフトした。また、一過性の発現後にdoxを除去して発現を抑制したが、H3K9me3とH3K27me3の共局在状態は数日間維持された。これらの結果から、H3K9me3とH3K27me3の共局在は細胞にとって致死的ではないと考えられる。共局在がどの程度起こっているのかについて、今後調べていく必要がある。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

H3K9me3とH3K27me3を共局在させる系を樹立できた。今後この系を用いて解析が進むと考えられる。

今後の研究の推進方策

H3K27me3-mintbody-Suv39H2(SET)の発現により、H3K27me3が濃縮するクロマチンにH3K9me3がどの程度導入できたかについて、クロマチン免疫沈降により確認する。また、H3K9me3の導入効率を高めるために、SunTagなどを用いた増幅システムの使用を検討する。
一過性にH3K9me3とH3K27me3を共存させた後の変化について、時間経過を追って変動を解析する。その際、それぞれの脱メチル化酵素やメチル化酵素の局在性についても解析し、共局在から排他性に至る分子機構を明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Mutation of the SWI/SNF complex component Smarce1 decreases nucleosome stability in embryonic stem cells and impairs differentiation. (2024)
  • 著者名/発表者名: Katsunobu Kashiwagi, Junko Yoshida, Hiroshi Kimura, Keiko Shinjo, Yutaka Kondo, Kyoji Horie
  • 雑誌名: Journal of cell science 巻: 137 ページ: jcs.260467
  • DOI: 10.1242/jcs.260467
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Histone methyltransferase SUV39H1 regulates the Golgi complex via the nuclear envelope-spanning LINC complex. (2023)
  • 著者名/発表者名: Miyu Nishino, Hiromasa Imaizumi, Yuhki Yokoyama, Jun Katahira, Hiroshi Kimura, Nariaki Matsuura, Miki Matsumura.
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 18 ページ: e0283490
  • DOI: 10.1101/2023.09.02.555826
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Epigenetic plasticity safeguards heterochromatin configuration in mammals. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kei Fukuda, Takeshi Shimi, Chikako Shimura, Takao Ono, Takehiro Suzuki, Kenta Onoue, Satoko Okayama, Hisashi Miura, Ichiro Hiratani, Kazuho Ikeda, Yasushi Okada, Naoshi Dohmae, Shigenobu Yonemura, Azusa Inoue, Hiroshi Kimura, Yoichi Shinkai.
  • 雑誌名: Nucleic acids research 巻: 51 ページ: 6190-6207
  • DOI: 10.1093/nar/gkad387
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Organization of transcription and 3D genome as revealed by live-cell imaging. (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ochiai, Hiroaki Ohishi, Yuko Sato, Hiroshi Kimura.
  • 雑誌名: Current opinion in structural biology 巻: 81 ページ: 102615-102615
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2023.102615
  • 査読あり
• [雑誌論文] Actin filaments accumulated in the nucleus remain in the vicinity of condensing chromosomes in the zebrafish early embryo. (2023)
  • 著者名/発表者名: Haruka Oda, Yuko Sato, Shigehiro A. Kawashima, Yusuke Fujiwara, Mate Palfy, Edlyn Wu, Nadine L. Vastenhouw, Motomu Kanai, Hiroshi Kimura
  • 雑誌名: Biology Open 巻: 12 ページ: bio.059783
  • DOI: 10.1242/bio.059783
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ヘテロクロマチンにおけるヒストン修飾の排他性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 佐々木誓華、佐藤優子、木村宏
  • 学会等名: 第41回染色体ワークショップ・第22回核ダイナミクス研究会
• [備考] 東京工業大学・科学技術創成研究院・細胞制御工学研究センター・木村研究室
  • URL: http://www.rcb.iir.titech.ac.jp/lab/kimura.html